Jak dobierać kolektory słoneczne (1). Absorpcja i apertura

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa   zobacz pdfa      

Dwa typy
Kolektory słoneczne dzielimy na dwa podstawowe typy, a więc kolektory płaskie i kolektory próżniowe. Z nazwy już widać, że zastosowana „otulina cieplna” kolektorów różni się znacznie. W kolektorach płaskich otuliną cieplną jest powietrze miedzy absorberem i górna szybą oraz wełna mineralna i czasami wełna mineralna wraz z płytą poliuretanową miedzy absorberem a jego dolną częścią (plecami kolektora). W próżniowych absorber jest umieszczony „pod warstwą” próżni i chroni absorber przed „utratą” ciepła w sposób wręcz idealny. Każdy kolektor, czy to płaski, czy też próżniowy, posiada obecnie sprawozdanie z badań w niezależnym od producenta laboratorium. Każdy kraj w UE posiada jedno czy nawet wiele takich laboratoriów, w których wykonuje się takie badania. W Polsce jest również takie akredytowane laboratorium. Badania przeprowadza się w ściśle określony sposób według pewnych reguł określonych w normach. Tą normą jest obecnie: PN-EN 12975-2:2007. Literki „EN” mówią nam, że norma jest obowiązująca na terenie całej Unii Europejskiej. Można powiedzieć, że wspomniana norma wyróżnia dwa podstawowe działy badań: wartości cieplne kolektorów oraz wytrzymałość mechaniczną.
W naszych rozważaniach odniosę się przede wszystkim do tych pierwszych, najbardziej kluczowych.

Parametry badane
Badania cieplne podają nam takie parametry kluczowe kolektora jak:

* charakterystyka cieplna kolektora,
* stała czasowa,
* efektywna pojemność cieplna,
* modyfikator kąta padania.

Charakterystyka cieplna kolektora podaje nam: jaka jest sprawność kolektor przy promieniowaniu słonecznym 1000 W/m2, a więc maksymalnym w polskich warunkach klimatycznych, z podziałem na:

* sprawność w odniesieniu do powierzchni apertury,
* sprawność w odniesieniu do powierzchni absorbera,
* sprawność w odniesieniu do powierzchni brutto kolektora.

Uwaga na parametry
W tym miejscu należy ostrzec wszystkich, którzy dokonują wyboru kolektorów, a spoglądają w tabele danych technicznych kolektora, jak wiele nieprawdziwych danych potrafią umieścić producenci czy handlowcy kolektorów słonecznych. Przede wszystkim podawanie danych opisujących sprawności cieplne, takie jak absorpcja kolektora na poziomie 95% oraz emisja na poziomie 5%, jest dużym nadużyciem ze względu na to, że wartości te opisują parametry warstwy absorpcyjnej (czyli warstwy nałożonej na absorber), a nie sprawność kolektora. Choć wartości te podane w procentach (95%) czy jako wartość bezwzględna (0,95) mogą to sugerować. Oczywiście wartości te mogą być zawarte w katalogu danych technicznych, ale powinny być wyraźnie opisane nie tylko symbolami, ale również czego dotyczą. Wartości te opisują, jaka część energii w przypadku absorpcji zostanie zamieniona na ciepło, a w przypadku emisji, jaka część energii zostanie wyemitowana z powrotem. Ma to wpływ na sprawność, ale nie zawsze.
Dla pokryć warstw absorpcyjnych, takich jak Tinox, Sunselect czy Bluetec, wartość absorpcji przybiera ok. 95%, a emisji ok. 5%. Natomiast dla czarnego chromu absorpcja przybiera wartość ok. 96%, a wartość emisji na poziomie 9%. Można na podstawie tych wartości powiedzieć, że warstwa absorpcyjna, jakim jest czarny chrom, będzie gorszym materiałem od np. Tinox. Nic bardziej błędnego! Bardzo często kolektory słoneczne wykonane na bazie czarnego chromu mają większą sprawność od pozostałych. A głównie zależy to od materiału absorbera (miedź, aluminium) oraz jego grubości (0,1 mm, 0,15 mm czy 0,2 mm).
Następnym „grzechem” popełnianym z premedytacją przez producentów i handlowców jest podawanie sprawności do tej powierzchni, gdzie wartość liczbowa jest większa, bez opisania, jakiej powierzchni dotyczy. I tu należy już rozgraniczyć kolektory płaskie od próżniowych, a to ze względu na to, że dla kolektorów płaskich wartość sprawności w odniesieniu do powierzchni absorbera lub apertury przyjmuje tę samą lub bardzo zbliżoną wartość, a wynika to z kształtu absorbera (prawie całkiem płaska powierzchnia), natomiast przy próżniowych wartości są różne ze względu na kształt absorbera, który jest w postaci walca. I tak przy kolektorach próżniowych, gdzie rura próżniowa jest dwuścienna, większa wartość sprawności jest w stosunku do powierzchni absorbera i bardzo często ta, jako większa i wydawać by się mogło bardziej sprawna, jest podawana jako sprawność kolektora. Nic bardziej mylnego – dla porównania sprawności kolektorów przyjmujemy sprawność tylko w stosunku do powierzchni apertury. Dla wyjaśnienia podam, że powierzchnia apertury to rzut prostopadły absorbera na płaszczyznę niezacienioną przez konstrukcję kolektora. Czyli niezależnie jak będzie pofałdowana powierzchnia absorbera, powierzchnia apertury przyjmie pole liczone po obrysie rzutu absorbera.
No i najbardziej nieuczciwa część producentów czy handlowców to taka, która z premedytacją podaje inne, na ogół zawyżone, wartości sprawności kolektorów słonecznych.

Gdzie weryfikować parametry?
Wobec powyższego można zadać sobie pytanie, gdzie można zweryfikować dane techniczne pod względem poprawności tych podawanych w stosunku do tych, które widnieją w raporcie z badań kolektora. Każdy szanujący się producent na swoich stronach internetowych podaje skan istotnej części sprawozdania z badań, gdzie umieszczane są kluczowe parametry techniczne. Ci, którzy tego nie robią, to albo nie mają pojęcia, co sprzedają (handlowcy), albo parametry techniczne kolektorów są żenująco niskie. Tu należy wyraźnie podkreślić, że mam na myśli raport z badań kolektorów, a nie Certyfikat Zgodności, bo to dwa różne dokumenty.
Certyfikat Zgodności z normą wystawiany jest przez jednostkę certyfikującą lub znak handlowy, np. Solar Keymark na podstawie raportu z badań. Stwierdza on tylko, że kolektor został wykonany zgodnie z normą i nic więcej, żadnych danych technicznych. Wszystkie kolektory posiadające raport mają certyfikat.
Przeglądając kilkadziesiąt raportów – w kolektorach płaskich sprawność waha się w granicach od 0,745 do 0,85. Kolektor płaski godny jest uwagi poczynając od sprawności 0,785 wzwyż, oczywiście w stosunku do apertury.
A więc dobrym obyczajem będzie podawanie sprawności jako parametr w stosunku do powierzchni apertury, gdzie wyraźnie będzie to zaznaczone i przyjmie postać np. η0A = 0,80 w odniesieniu do powierzchni apertury.

Następnym wyznacznikiem charakterystyki cieplnej kolektora będzie tak zwany współczynnik strat względem powierzchni kolektora,
gdy Tm – Ta = 0 oraz współczynnik zależności od współczynnika strat ciepła temperatury względem powierzchni apertury kolektora.
Ponieważ wewnętrzne elementy kolektora rozgrzewają się do wielokrotnie większej temperatury niż otoczenie, to oba te współczynniki odpowiadają za wielkość strat cieplnych w kolektorze. W kolektorze płaskim utrata ciepła następuje przez szybę kolektora,  metalowe boki oraz przez wełnę od strony pleców. Można też powiedzieć, że współczynniki te odpowiadają za kształt charakterystyki krzywej sprawności kolektora w zależności od różnicy temperatur. Oczywiście w sposób podobny obydwa te współczynniki również podawane są w stosunku do powierzchni apertury, jak i do powierzchni absorbera, i podobnie jak sprawność różnią się między sobą w zależności od rozpatrywanej powierzchni. Tu natomiast, nie wdając się w zawiłości obliczania obu współczynników, im mniejsza jest wartość liczbowa, tym mniejsze są straty ciepła do otoczenia. Dla kolektorów płaskich współczynniki strat przybierają wartości:  a1A – od 1,5 do około 6 oraz współczynnika a2A – od 0,0035 do 0,01. A więc również do dobrego obyczaju należeć będzie podawanie współczynników strat w stosunku do powierzchni apertury, gdzie będzie to wyraźnie zaznaczone i przyjmie postać np.:

* a1A – 3,45 w stosunku do apertury,
* a2A – 0,013 w stosunku do apertury.

Dla kolektorów płaskich pierwszy współczynnik przybiera wartości od 1,5 do 4, natomiast drugi od 0,01 do 0,1. Najważniejszy jest jednak ten pierwszy.
O ile na sprawności nie da się „oszukać”, bo pole powierzchni jest jeszcze raz obliczane w laboratorium badań, o tyle współczynniki strat można sobie poprawić w sztuczny sposób.
Producent, znając normę, wie, że w znacznym stopniu współczynniki strat zależą od wielkości przepływu czynnika chłodniczego. Dostarczając kolektor do badań, producent określa, jaki jest zakładany przepływ dla danego dostarczonego modelu kolektora. Laboratorium jest zobowiązane wykonać badania cieplne dla zakładanego przepływu. Obliczenia współczynnika strat są mniejsze, jeżeli przepływ będzie większy, natomiast jeżeli podany przepływ będzie mniejszy, to współczynniki strat będą większe, co zafałszuje wyniki. Sprawdzenie tego jest praktycznie niemożliwe, bo inny przepływ czynnika będzie podany do badań, a inny wpisany do danych technicznych bardzo często jako zalecany przepływ. Natomiast stała czasowa, efektywna pojemność cieplna i modyfikator kąta padania to już mniej istotne parametry kolektora, wykraczające poza zakres tego opracowania.
Porównując z sobą kolektory płaskie, trzeba wiedzieć, że tak jak próżniowe – różnią się one nieco budową, a materiał, z którego wykonany jest absorber, to nie tylko blacha miedziana, ale i również  blacha aluminiowa. Główna zaś różnica między nimi, pod względem zasady przepływu, to taka, że jest to układ meandryczny, harfowy lub podwójnej harfy. Ma to może bardziej znaczenie przy ustalaniu oporów przepływu czy sposobu odpowietrzania układu, natomiast na sprawność praktycznie nie ma znaczenia, bo ta jest wyliczana dla konkretnego modelu, o czym pisałem wyżej.
Witold Jabłoński

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij